motor DC

Motorul de curent continuu a fost inventat înaintea altor tipuri de mașini care convertesc energia electrică în energie mecanică. Deși motoarele cu curent alternativ au devenit cele mai populare în ultima vreme, există aplicații în care nu există alternativă la motoarele cu curent continuu.

Motor DC și AC

Istoria inventiei

Motor electric Jacobi.

Pentru a înțelege principiul de funcționare al motoarelor electrice cu curent continuu (motoare cu curent continuu), ne întoarcem la istoria creării sale. Așadar, prima dovadă experimentală că energia electrică poate fi convertită în energie mecanică a fost demonstrată de Michael Faraday. În 1821, a efectuat un experiment cu un conductor coborât într-un vas plin cu mercur, în fundul căruia se afla un magnet permanent. După ce a aplicat electricitate conductorului, acesta a început să se rotească în jurul magnetului, demonstrându-și reacția la câmpul magnetic prezent în vas. Experimentul lui Faraday nu a găsit aplicație practică, dar a dovedit posibilitatea creării de mașini electrice și a dat naștere dezvoltării electromecanicii.

Primul motor electric de curent continuu, care s-a bazat pe principiul rotației părții mobile (rotorul), a fost creat de fizicianul mecanic rus Boris Semenovich Jacobi în 1834. Acest dispozitiv a funcționat după cum urmează:


Principiul descris a fost folosit într-un motor pe care Jacobi l-a instalat într-o barcă cu 12 pasageri în 1839. Nava se deplasa sacadat cu o viteză de 3 km/h împotriva curentului (conform altor surse - 4,5 km/h), dar a trecut cu succes râul și a aterizat pasagerii pe țărm. Ca sursă de energie a fost folosită o baterie cu 320 de celule galvanice, iar deplasarea s-a realizat cu ajutorul roților cu zbaturi.

Studierea ulterioară a problemei i-a determinat pe cercetători să rezolve o serie de întrebări cu privire la ce surse de energie sunt cele mai bune de utilizat, cum să-și îmbunătățească performanța și să-și optimizeze dimensiunile.

În 1886, Frank Julian Sprague a proiectat pentru prima dată un motor electric cu curent continuu, similar ca design cu cel folosit astăzi. A implementat principiul autoexcitației și principiul reversibilității mașinii electrice. Până în acest moment, toate motoarele de acest tip au trecut la alimentare de la o sursă mai potrivită - un generator de curent continuu.

Ansamblul perie-colector asigură conexiunea electrică a circuitului rotorului cu circuitele situate în partea staționară a mașinii

Dispozitiv și principiu de funcționare

În DPT-urile moderne, se utilizează același principiu de interacțiune a unui conductor încărcat cu un câmp magnetic. Odată cu îmbunătățirea tehnologiei, dispozitivul este completat doar cu unele elemente care îmbunătățesc performanța. De exemplu, în zilele noastre magneții permanenți sunt folosiți doar la motoarele de putere mică, deoarece la mașinile mari ar ocupa prea mult spațiu.

Principiul de bază

Prototipurile inițiale ale motoarelor de acest tip erau considerabil mai simple decât dispozitivele moderne. Dispozitivul lor primitiv includea doar un stator de doi magneți și o armătură cu înfășurări la care se aplica curent. După ce au studiat principiul interacțiunii câmpurilor magnetice, proiectanții au determinat următorul algoritm de funcționare a motorului:

  1. Sursa de alimentare creează un câmp electromagnetic pe înfășurările armăturii.
  2. Polii câmpului electromagnetic sunt respinși din aceiași poli ai câmpului magnetic permanent.
  3. Armătura, împreună cu arborele pe care este atașată, se rotește în funcție de câmpul respingător al înfășurării.

Acest algoritm a funcționat perfect în teorie, dar în practică, creatorii primelor motoare s-au confruntat cu probleme specifice care au împiedicat funcționarea mașinii:

  • Poziție moartă din care motorul nu poate fi pornit - când polii sunt orientați exact unul în fața celuilalt.
  • Incapacitatea de a porni din cauza rezistenței puternice sau a respingerii slabe a stâlpilor.
  • Rotorul se oprește după o rotație. Acest lucru se datorează faptului că, după ce a trecut jumătate de cerc, atracția magnetului nu a accelerat, ci a încetinit rotația rotorului.

Soluția la prima problemă a fost găsită destul de repede - pentru aceasta s-a propus să se folosească mai mult de doi magneți. Mai târziu, în dispozitivul motor au fost incluse mai multe înfășurări și un ansamblu colector-perie, care a furnizat energie doar unei perechi de înfășurări la un anumit moment în timp.

Sistemul de alimentare cu curent colector-perie rezolvă și problema frânării rotorului - comutarea polarității are loc până în momentul în care rotația rotorului începe să încetinească. Aceasta înseamnă că în timpul unei rotații a motorului există cel puțin două inversări de polaritate.

Problema curenților mici de aprindere este discutată mai jos într-o secțiune separată.

Proiecta

Deci, un magnet permanent este fixat pe carcasa motorului, formând cu acesta un stator, în interiorul căruia se află rotorul. După ce puterea este aplicată înfășurării armăturii, apare un câmp electromagnetic care interacționează cu câmpul magnetic al statorului, ceea ce duce la rotația rotorului, care este montat rigid pe arbore. Pentru a transfera curentul electric de la sursă la armătură, motorul este echipat cu un ansamblu colector-perie, format din:

  1. Colector. Este un inel colector de curent din mai multe secțiuni separate printr-un material dielectric, conectat la înfășurările armăturii și montat direct pe arborele motorului.
  2. Perii de grafit. Ele închid circuitul dintre colector și sursa de alimentare folosind perii care sunt apăsate pe plăcuțele de contact ale colectorului prin arcuri de presiune.

Înfășurările armăturii sunt conectate la un capăt între ele, iar la celălalt capăt la secțiunile colectoare, formând astfel un circuit de-a lungul căruia curentul circulă pe următorul traseu: perie de intrare -> înfășurare rotor -> perie de ieșire.

Schema de circuit dată (Fig. 3) demonstrează principiul de funcționare a unui motor de curent continuu primitiv cu un colector de două secțiuni:

  1. În acest exemplu, vom lua în considerare poziția de pornire a rotorului așa cum se arată în diagramă. Deci, după ce peria inferioară este alimentată cu energie, marcată cu un „+”, curentul trece prin înfășurare și creează un câmp electromagnetic în jurul acesteia.
  2. Conform regulii gimletului, polul nord al ancorei se formează în partea stângă jos, iar polul sud se formează în dreapta sus. Fiind situate în apropierea polilor statorului cu același nume, încep să se respingă, punând astfel rotorul în mișcare, care continuă până când polii opuși sunt la o distanță minimă unul de celălalt, adică ajung în poziția finală (Fig. 1).
  3. Proiectarea colectorului în această etapă va avea ca rezultat o inversare a polarității pe înfășurările armăturii. Ca urmare a acestui fapt, polii câmpurilor magnetice vor fi din nou la distanță apropiată și vor începe să se respingă.
  4. Rotorul face o revoluție completă, iar colectorul inversează din nou polaritatea, continuându-și mișcarea.

Piese de motor DC

Aici, așa cum sa menționat deja, este demonstrat principiul funcționării unui prototip primitiv. Motoarele reale folosesc mai mult de doi magneți, iar comutatorul este format din mai multe plăcuțe de contact, ceea ce asigură o rotație lină.

La motoarele de mare putere, utilizarea magneților permanenți nu este posibilă din cauza dimensiunilor lor mari. O alternativă pentru ei este un sistem de mai multe tije conductoare, fiecare dintre ele având propria înfășurare conectată la barele de alimentare. Stâlpii cu același nume sunt incluși în rețea în serie. Pe corp pot fi prezente de la 1 până la 4 perechi de stâlpi, iar numărul acestora trebuie să corespundă cu numărul de perii colectoare de curent de pe colector.

Motoarele electrice proiectate pentru putere mare au o serie de avantaje funcționale față de omologii lor „mai ușoare”. De exemplu, aranjamentul local al periilor colectoare de curent le rotește la un anumit unghi față de arbore pentru a compensa frânarea arborelui, numită „reacție a armăturii”.

Curenți de pornire

Echiparea treptată a rotorului motorului cu elemente suplimentare care asigură funcționarea acestuia neîntreruptă și exclude frânarea sectorială, se pune problema pornirii acestuia. Dar toate acestea măresc greutatea rotorului - ținând cont de rezistența arborelui, devine mai dificil să-l împingeți de la locul său. Prima soluție la această problemă care îmi vine în minte poate fi creșterea curentului furnizat la pornire, dar aceasta poate duce la consecințe neplăcute:

  • întrerupătorul de circuit al liniei nu va rezista curentului și se va opri;
  • firele de înfășurare vor arde de la suprasarcină;
  • sectoarele de comutare de pe colector vor fi sudate din cauza supraîncălzirii.

Prin urmare, o astfel de decizie poate fi numită mai degrabă o jumătate de măsură riscantă.

În general, această problemă este principalul dezavantaj al motoarelor de curent continuu, dar include principalul lor avantaj, datorită căruia sunt indispensabile în unele zone. Acest avantaj constă în transferul direct al cuplului imediat după pornire - arborele (dacă începe să se miște) se va învârti cu orice sarcină. Motoarele de curent alternativ nu sunt capabile de acest lucru.

Până acum, această problemă nu a fost complet rezolvată. Până în prezent, pentru a porni astfel de motoare, este utilizat un demaror automat, al cărui principiu de funcționare este similar cu cel al unei cutii de viteze auto:

  1. În primul rând, curentul crește treptat până la valoarea de pornire.
  2. După „deplasarea” de la loc, valoarea curentă scade brusc și din nou crește ușor „ajustând rotația arborelui”.
  3. După creșterea valorii limită, puterea curentului scade din nou și se „ajustează”.

Acest ciclu se repetă de 3-5 ori (Fig. 4) și rezolvă necesitatea pornirii motorului fără apariția sarcinilor critice în rețea. De fapt, încă nu există o pornire „soft”, dar echipamentul funcționează în siguranță, iar principalul avantaj al motorului de curent continuu - cuplul - este păstrat.

Diagrame de cablaj

Conectarea unui motor de curent continuu este ceva mai dificilă decât în ​​cazul motoarelor cu o specificație de curent alternativ.

Motoarele de putere mare și medie, de regulă, au înfășurare de câmp specială (OB) și contacte de armătură plasate în cutia de borne. Cel mai adesea, tensiunea de ieșire a sursei este aplicată armăturii, iar curentul, de regulă, ajustat de un reostat, este aplicat OB. Viteza de rotație a motorului depinde direct de puterea curentului aplicat înfășurării de excitație.

Există trei scheme principale pentru pornirea armăturii și înfășurării de excitație a motoarelor de curent continuu:

  1. Excitația secvențială este utilizată la motoarele care necesită un curent mare la pornire (vehicule electrice, echipamente de închiriat etc.). Această schemă prevede conectarea în serie a OF și a armăturii la sursă. După aplicarea tensiunii, curenții de aceeași mărime trec prin înfășurările armăturii și OB. Trebuie avut în vedere că reducerea sarcinii pe arbore chiar și cu un sfert cu excitație secvențială va duce la o creștere bruscă a vitezei, ceea ce poate duce la defectarea motorului, prin urmare acest circuit este utilizat în condiții de sarcină constantă.
  2. Excitația paralelă este utilizată la motoarele care asigură funcționarea mașinilor-unelte, ventilatoarelor și a altor echipamente care nu exercită o sarcină mare asupra arborelui în momentul pornirii. În acest circuit, o înfășurare independentă este utilizată pentru a excita OF, care este cel mai adesea reglată de un reostat.
  3. Excitația independentă este foarte asemănătoare cu excitația paralelă, dar în acest caz, o sursă independentă este utilizată pentru a furniza energie la OB, ceea ce elimină apariția unei conexiuni electrice între armătură și înfășurarea de excitație.

În motoarele electrice moderne de curent continuu, circuitele mixte pot fi utilizate pe baza celor trei descrise.

Reglarea vitezei de rotație

Modul de reglare a vitezei DPT depinde de schema conexiunii sale:

  1. La motoarele cu excitație paralelă, o scădere a vitezei în raport cu valoarea nominală se poate face prin modificarea tensiunii armăturii și o creștere prin slăbirea fluxului de excitație. Pentru a crește viteza (de cel mult 4 ori față de valoarea nominală), la circuitul OB se adaugă un reostat.
  2. Cu excitația în serie, reglarea se realizează cu ușurință printr-o rezistență variabilă în circuitul armăturii. Adevărat, această metodă este potrivită doar pentru reducerea vitezei și numai în raporturi de 1:3 sau 1:2 (în plus, aceasta duce la pierderi mari în reostat). Creșterea se realizează folosind un reostat de reglare în circuitul OB.

Aceste circuite sunt rareori utilizate în echipamentele moderne de înaltă tehnologie, deoarece au o gamă de reglare îngustă și alte dezavantaje. În zilele noastre, circuitele electronice de control sunt din ce în ce mai create în aceste scopuri.

Mers înapoi

Pentru a inversa (inversa) rotația unui motor de curent continuu, trebuie să:

  • cu excitație în serie - doar schimbați polaritatea contactelor de intrare;
  • cu excitație mixtă și paralelă - este necesar să se schimbe direcția curentului în înfășurarea armăturii; ruperea OF poate duce la o creștere critică a forței electromotoare injectate și la ruperea izolației firului.

Scopul aplicatiei

După cum ați înțeles deja, utilizarea motoarelor de curent continuu este recomandabilă în condițiile în care o conexiune permanentă neîntreruptă la rețea nu este fezabilă. Un bun exemplu aici este un demaror de mașină care împinge un motor cu ardere internă „din loc”, sau jucăriile pentru copii cu motor. În aceste cazuri, bateriile sunt folosite pentru a porni motorul. În scopuri industriale, DPT-urile sunt utilizate în laminoare.

Principalul domeniu de aplicare a DPT este transportul electric. Ambarcațiunile cu aburi, locomotivele electrice, tramvaiele, troleibuzele și altele similare au o rezistență la pornire foarte mare, care poate fi depășită doar cu ajutorul motoarelor de curent continuu cu caracteristicile lor moi și limite largi de reglare a rotației. Având în vedere dezvoltarea rapidă și popularizarea tehnologiilor de transport de mediu, domeniul de aplicare al DPT este doar în creștere.

Cel mai simplu ansamblu perie-colector

Avantaje și dezavantaje

Rezumând toate cele de mai sus, este posibil să descriem avantajele și dezavantajele caracteristice motoarelor de curent continuu față de omologii lor proiectați să funcționeze pe curent alternativ.

Principalele avantaje:

  • DCT-urile sunt indispensabile în situațiile în care este nevoie de un cuplu puternic de pornire;
  • viteza de rotație a armăturii este ușor de reglat;
  • Motorul de curent continuu este o mașină electrică universală, adică poate fi folosit ca generator.

Principalele dezavantaje:

  • DPT-urile au un cost de producție ridicat;
  • utilizarea unui ansamblu perie-colector duce la necesitatea întreținerii și reparațiilor frecvente;
  • Necesită o sursă de curent continuu sau redresoare pentru a funcționa.

Motoarele electrice cu curent continuu, desigur, pierd față de omologii lor „variabili” în ceea ce privește costul și fiabilitatea, cu toate acestea, sunt utilizate și vor fi utilizate, deoarece avantajele utilizării lor în anumite domenii îndepărtează categoric toate dezavantajele.

Vă recomandăm să citiți